计算机组成原理：控制单元的功能详解
计算机组成原理：控制单元的功能详解
控制单元是计算机系统的核心部件之一，负责发出各种控制命令，协调整个计算机系统的运行。本文将详细介绍控制单元的功能、微操作命令的分析、控制信号的产生方式以及多级时序系统等内容。
课程笔记导览
- 计算机组成原理学习笔记（1）：概述
- 计算机组成原理学习笔记（2）：发展
- 计算机组成原理学习笔记（3）：总线
- 计算机组成原理学习笔记（4）：存储器
- 计算机组成原理学习笔记（5）：I/O
- 计算机组成原理学习笔记（6）：数字
- 计算机组成原理学习笔记（7）：指令系统
- 计算机组成原理学习笔记（8）：CPU的结构和功能
- 计算机组成原理学习笔记（9）：控制单元的功能
- 计算机组成原理学习笔记（10）：控制单元的设计
附录：英语解释
- CPU——Central Processing Unit，中央处理机(器)
- PC——Program Counter，程序计数器，存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址的计数器
- IR——Instruction Register，指令寄存器，存放当前正在执行的指令的寄存器
- CU——Control Unit，控制单元(部件)，控制器中产生微操作命令序列的部件，为控制器的核心部件
- ALU——Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部件
- ACC——Accumulator，累加器，运算器中运算前存放操作数、运算后存放运算结果的寄存器
- MQ——Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器
- X——此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数
- MAR——Memory Address Register，存储器地址寄存器，内存中用来存放欲访问存储单元地址的寄存器
- MDR——Memory Data Register，存储器数据缓冲寄存器，主存中用来存放从某单元读出、或写入某存储单元数据的寄存器
- I/O——Input/Output equipment，输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换与传送
- MIPS——Million Instruction Per Second，每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位
第九章 控制单元的功能
9.1 微操作命令的分析
微操作命令是控制单元在指令解释过程中发出的指令，用于完成特定的动作。完成一条指令通常需要经过四个工作周期：取指周期、间址周期、执行周期和中断周期。
9.1.1 取指周期微操作命令分析
9.1.2 间址周期微操作命令分析
9.1.3 执行周期微操作命令分析
非访存指令、访存指令和转移指令在执行周期中的微操作命令有所不同。
9.1.4 中断周期微操作命令分析
中断周期的主要功能是保存断点、形成中断服务程序的入口地址并关闭中断。常见的中断处理方法有硬件向量法和软件查询法。
9.2 控制单元的功能
控制单元的主要功能是发出各种控制命令或微指令，控制整个计算机系统（包括CPU内部的各个部件）能够协调、稳定、连续、正确地运行。
9.2.1 控制单元的外特性
控制单元的外特性主要包括输入信号和输出信号。
9.2.2 控制信号举例
以间接寻址加法指令为例，说明在不同周期中的控制信号：
不采用CPU内部总线的方式
取指周期：C0（把PC的内容送给MAR）、C1（把MAR的内容送入内存单元的地址线）、C2（控制取回来的内容放入MDR）、C3（将指令送到指令寄存器IR并使PC加1）、C4（控制进入CU进行译码）
间址周期：C5（将取回的指令送入MAR）、C1（将内容送入到地址线）、C2（数据（操作数的地址）送入MDR）、C3（送到指令寄存器的后半部分）
执行周期：C5（将地址送到MAR）、C2（操作数传入MDR）、控制信号告诉ALU是加法、C6和C7（加数和被加数放入算术逻辑运算单元进行计算）、C8（将结果保存到AC中）
采用CPU内部总线的方式
取指周期、间址周期和执行周期的具体控制信号与上述类似，但会根据内部总线的特点进行调整。
9.2.3 多级时序系统
- 机器周期：所有指令执行过程中的一个基准时间。确定机器周期需考虑每条指令的执行步骤和每一步骤所需的时间，一般以访问一次存储器的时间为基准。
- 时钟周期（节拍、状态）：一个机器周期内可完成若干个微操作，每个微操作需一定的时间，将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段。
- 多级时序系统：由机器周期、节拍（状态）组成，一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期包含若干个时钟周期。
机器速度与机器主频的关系：在机器周期所含时钟周期数相同的前提下，两机平均指令执行速度之比等于两机主频之比。
9.2.4 控制方式
产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式主要有以下几种：
- 同步控制方式：任一微操作均由统一基准时标的时序信号控制。可以采用定长的机器周期、不定长的机器周期或中央控制和局部控制相结合的方法。
- 异步控制方式：无基准时标信号，无固定的周期节拍和严格的时钟同步，采用应答方式。
- 联合控制方式：同步与异步相结合。
- 人工控制方式：包括Reset、连续和单条指令执行转换开关、符合停机开关等。